Diseño de una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)

Los ingenieros están familiarizados con el término fuente de alimentación conmutada o SMPS. Una vez que comprenda qué es realmente SMPS, podrá imaginar fácilmente sus innumerables aplicaciones.

Se utiliza un SMPS para convertir la fuente de alimentación electrónica de manera eficiente. Se utiliza para suministrar energía a dispositivos sensibles que requieren un suministro de energía estable y de alta eficiencia. Cualquier SMPS tiene algunos componentes de almacenamiento que almacenan energía eléctrica para suministrarla al dispositivo de carga y algunos componentes de conmutación que se encienden y apagan a altas frecuencias, cargando y descargando los componentes de almacenamiento.

Se suministra energía al dispositivo de carga descargando el componente de almacenamiento cuando el componente de conmutación está en el estado no conductor. El uso de reguladores de conmutación diferencia a los SMPS de los reguladores lineales. El SMPS puede ser de CA a CC, de CC a CC, de CA a CA o de CC a CA. En esta serie sobre cómo diseñar SMPS, se tratan SMPS de CA a CC y de CC a CC.

Los reguladores de conmutación (como los transistores) en el SMPS cambian continuamente entre el estado ON y OFF. Por lo tanto, pasan mucho menos tiempo en el estado de alta disipación, lo que reduce la disipación de energía del sistema. En los reguladores lineales, toda la energía se disipa en forma de calor, lo que reduce la eficiencia general del sistema. Debido al uso de componentes de conmutación que funcionan a alta frecuencia, SMPS puede proporcionar una alta eficiencia de hasta el 95%. SMPS se puede utilizar en lugar de cualquier regulador lineal cuando se requiere alta eficiencia y una fuente de alimentación liviana y de tamaño pequeño.

Figura 1: Imagen SMPS típica

En esta serie, los SMPS se diseñan utilizando diferentes topologías. Para diseñar SMPS (tipo CA a CC), se pueden clasificar de la siguiente manera:

Fig. 2: Imagen que muestra diferentes tipos de SMPS

En primer lugar, las SMPS se pueden clasificar en términos generales en dos categorías:

1. SMPS no aislado

2. SMPS aislado

En SMPS no aislados la entrada y la salida comparten la misma tierra o se puede decir que existe una conexión eléctrica entre la entrada y la salida. En SMPS aislado, la entrada y la salida están aisladas entre sí mediante un transformador que brinda seguridad contra cualquier descarga eléctrica de la fuente de alimentación de entrada (CA).

En SMPS no aislado, las topologías SMPS básicas se pueden clasificar según el voltaje de entrada-salida de la siguiente manera:

1.Boost Converter : en este SMPS, el voltaje de salida siempre es mayor que el voltaje de entrada.

2. Convertidor reductor : en este SMPS, el voltaje de salida siempre es menor que el voltaje de entrada.

3. Convertidor Buck-Boost : en este SMPS, el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada.

En SMPS aislado, hay dos topologías SMPS diseñadas en esta serie. Son los siguientes -

4. Convertidor push-pull

5. Convertidor de retorno

Ahora las topologías mencionadas anteriormente se pueden dividir en diferentes tipos de la siguiente manera:

En esta serie de SMPS, un convertidor Boost y un convertidor Buck están diseñados de cuatro maneras:

I. Convertidor Boost/Buck de bucle abierto: en este convertidor Boost, no hay circuito de detección de errores ni circuito de retroalimentación. Por lo tanto, el voltaje de salida de este convertidor Boost no estará regulado.

II. Convertidor elevador/reductor de circuito cerrado: en este convertidor elevador habrá un circuito de detección de errores o un circuito de retroalimentación. Este circuito de retroalimentación ayuda a regular el voltaje de salida.

III. Convertidor elevador/reductor de bucle abierto con salida ajustable: este convertidor elevador tendrá un voltaje de salida variable, pero sin ningún circuito de detección de errores ni circuitos de retroalimentación. Por lo tanto, el voltaje de salida de este Boost Converter será variable pero no regulado.

4. Convertidor elevador/reductor de circuito cerrado con salida ajustable: este convertidor elevador tendrá un voltaje de salida variable y un circuito de retroalimentación. Por lo tanto, el voltaje de salida de este Boost Converter será variable y regulado.

Habrá dos tipos de convertidores Buck-Boost diseñados en esta serie:

I. Convertidor Buck-Boost inversor de bucle abierto : en un convertidor Buck-Boost inversor, el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada. La polaridad de la salida es opuesta a la tensión de entrada, por eso se le llama convertidor inversor Buck-Boost.

II. Buck de inversión de bucle abierto: convertidor elevador con salida ajustable

En este convertidor Buck-Boost, el voltaje de salida puede variar desde el voltaje más bajo (voltaje menor que el voltaje de entrada) hasta el nivel de voltaje más alto (voltaje mayor que el voltaje de entrada).

El convertidor Flyback es igual que el convertidor Buck-Boost, la única diferencia es que en el convertidor Buck-Boost utiliza un solo devanado inductor, en el convertidor Flyback el inductor se divide en dos devanados que forman un transformador. Esto proporciona aislamiento de la salida de la entrada. En esta serie, se ha diseñado un convertidor Flyback que reducirá el voltaje de entrada y proporcionará bajo voltaje en la salida.

Se diseñará un convertidor Push-Pull de bucle abierto que será un SMPS de CC a CC. Este convertidor utiliza el transformador para convertir un voltaje de CC a otro nivel. Un transformador proporciona aislamiento entre la entrada y la salida. Este convertidor puede proporcionar voltaje alto o bajo en la salida en comparación con la entrada. El número de vueltas del transformador y el ciclo de trabajo decidirán si se suministrará voltaje alto o bajo en la salida.

En esta serie, se diseñará un convertidor Push-Pull que aumentará el voltaje de entrada y proporcionará alto voltaje en la salida.

Ahora comprendamos algunas terminologías básicas que se utilizarán en el diseño del SMPS:

Según la corriente de salida del SMPS, puede tener dos modos de funcionamiento:

1. Modo continuo

2. Modo discontinuo

Normalmente en el circuito SMPS hay un inductor en la entrada que decide la corriente de entrada. En modo continuo, la corriente en el inductor es continua durante todo el ciclo del período de conmutación. Así, se obtiene una tensión regulada en la salida en modo continuo. En modo continuo, hay algún valor crítico de corriente de salida por debajo del cual la corriente del inductor es cero durante una parte del ciclo de conmutación, entonces se considera que el sistema está en modo discontinuo. Por lo tanto, para el funcionamiento en modo continuo, la salida siempre es mayor o equivalente al valor de corriente crítico.

A continuación se muestra la forma de onda que muestra la corriente del inductor en modo continuo.

Fig. 3: Gráfico que muestra la variación actual en el modo de conducción continua SMPS

En este modo, la corriente en el inductor pulsa y se vuelve cero durante una parte del tiempo de conmutación. La corriente en el inductor comienza en cero y alcanza la corriente máxima y vuelve a cero nuevamente después de completar un ciclo de conmutación. Por tanto, en este modo, la tensión de salida no está regulada. Por lo tanto, el modo discontinuo requiere un bloque de detección de errores que regule el voltaje de salida.

A continuación se muestra la forma de onda que muestra la corriente del inductor en modo discontinuo:

Fig. 4: Gráfico que muestra la variación actual en el modo de conducción discontinua SMPS

En esta serie, cada circuito se diseñará en modos CCM y DCM y se utilizarán ecuaciones CCM/DCM estándar para calcular los valores de los componentes.

Un SMPS tiene varias ventajas sobre los reguladores lineales. Algunas de las principales ventajas que aprovechan SMPS sobre cualquier regulador lineal son las siguientes:

Cualquier SMPS tiene componentes de conmutación que funcionan a alta frecuencia. Esto reduce el tamaño de los componentes necesarios en el diseño del circuito SMPS.

Como se utilizan componentes de pequeño tamaño para crear el circuito SMPS, ensamblar el circuito es menos costoso.

Debido al uso de reguladores de conmutación, la eficiencia de los SMPS es generalmente muy alta. Un SMPS puede tener una eficiencia de producción de hasta el 95%. Esto significa que alrededor del 95% de la potencia de entrada se puede entregar a la carga de salida.

Al utilizar un transformador en lugar del inductor, SMPS puede proporcionar un buen aislamiento. Al proporcionar aislamiento entre la entrada y la salida, la carga de salida se puede proteger de cualquier descarga eléctrica o fluctuación de voltaje de la fuente de entrada.

El uso de SMPS no se limita sólo a las computadoras. Se utilizan con la mayoría de los dispositivos sensibles que esencialmente requieren un suministro de energía estable y eficiente. Se utilizan como fuente de corriente de baja pérdida para controlar LED y circuitos LED. Se utilizan en dispositivos autoalimentados. También se utilizan como interfaz entre la batería y los componentes de la CPU o las computadoras portátiles donde la demanda de voltaje es menor o mayor que el voltaje de la batería.

Por lo tanto, en esta serie, se diseñarán los siguientes circuitos SMPS:

1. Impulsar los convertidores –

a) Convertidor elevador de bucle abierto

b) Convertidor elevador de circuito cerrado

c) Convertidor Boost de bucle abierto con salida ajustable

d) Convertidor elevador de circuito cerrado con salida ajustable

2. Convertidores de dólares –

a) Convertidor reductor de bucle abierto

b) Convertidor reductor de circuito cerrado

c) Convertidor reductor de circuito abierto con salida ajustable

d) Convertidor reductor de circuito cerrado con salida ajustable

3. Convertidores Buck-Boost

a) Inversor reductor de bucle abierto – Convertidor elevador

b) Inversor reductor de circuito abierto: convertidor elevador con salida ajustable

4. Convertidor de retorno

5. Convertidor push-pull